混合型有源電力濾波器抑制諧波放大措施

2020-02-20 01:01:52鄭瑜，王剛，鄭琦，李勇，許誼

通信電源技術 2020年1期

鄭瑜，王剛，鄭琦，李勇，許誼

（1.國網寧波供電公司，浙江寧波 315000；2.國網金華供電公司，浙江金華 321013）

0 引言

有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）是諧波抑制的一種有效手段，因其具有不易受系統阻抗變化影響、可選擇性濾除任意次諧波、響應速度快等優點，成為近幾年的研究熱點[1]。雖然APF能補償一定的無功，但大容量補償還無法實現，因此將APF與并聯電容器相結合組成混合補償系統（Hybrid Active Power Filter，HAPF）是一種可行性好、成本低的提高電能質量的有效方法[2]。

但并聯電容器和電網阻抗會產生并聯或串聯諧振，造成諧波放大，不僅影響APF的工作效果，嚴重時會危及并聯電容器本身及系統穩定性和安全可靠性[3]。因此，分析混合型有源電力濾波器的諧波放大問題并提出有效的解決措施具有重要意義。

1 HAPF諧波放大的機理

對于混合型有源電力濾波器，諧波放大可能由并聯型有源濾波器引起，可能由并聯補償電容引起，也可能由兩者的共同作用引起。混合型有源電力濾波器諧波放大的機理主要有如下3種。

1.1 APF輸出電流畸變造成正反饋

有源電力濾波器諧波電流檢測主要包括負載側檢測和電網側檢測兩種，負載側電流檢測屬于開環系統，其穩定性嚴重依賴于各環節參數的精確匹配；電網側電流檢測屬于閉環系統，可有效提高APF系統的控制精度和魯棒性[4]。

但在檢測電網諧波電流的閉環控制系統中，如果APF輸出電流發生畸變，則會導致諧波電流不斷放大，從而危及系統的穩定性。因為當APF輸出電流在某次諧波頻率處發生相位相反的畸變時，系統由原來的負反饋變為了正反饋，使得該頻次的輸出電流不斷累加，從而導致諧波放大[5]。

1.2 并聯電容器與電網阻抗形成并聯諧振

并聯電容器與電網阻抗在特定頻率下會發生并聯諧振。忽略輸電線路中電容，則并聯電容器后，系統的n次諧波等效阻抗為：

其中，RSn為電網的n次諧波電阻；XSn為電網n次諧波電抗且XSn=nXS；XS為電網基波電抗；XCn為并聯電容器n次諧波電抗且XCn=XC/n，XC為并聯電容器基波電抗。

令XSn-XCn=0，即nXS=XC/n，則有諧振頻率：

其中，LS為電網電感，C為并聯電容。

1.3 諧振偏移

文獻[7]指出，電網側諧波電流分次補償時，其等效電路（忽略電網和并聯電容器的串聯電阻）相當于在電路網絡中并聯了阻抗為LS/kn的等效電感，則等效系統的諧振頻率為：

其中，LS為電網阻抗，C為并聯電容，kn為對n次諧波電流的反饋增益。

由于反饋增益kn會隨著積分器的累加逐漸從零趨于無窮大，由式（3）可知，當APF的指定次補償電流頻率f小于kn=0時的諧振頻率fR時，等效系統的并聯諧振頻率會隨kn增大而升高，此情況下諧振點會不斷遠離指定的補償諧波頻率，因此不會發生諧振；而當APF的指定次補償電流頻率f大于kn=0時的諧振頻率fR時，由于等效系統的并聯諧振頻率隨著kn的增大而升高，使得諧振點不斷靠近指定的補償諧波頻率，在某一諧振點處就會發生諧振造成諧波放大。

2 HAPF諧波放大的抑制措施

針對諧波放大的問題，國內外學者紛紛研究出不同的解決方案。

2.1 串聯電感

對于并聯電容器與系統阻抗產生的諧振，傳統方法是給并聯電容器串接一定電抗器，改變并聯電容器與系統阻抗的諧振點來抑制諧波放大。文獻[8]證明了可通過調節電抗率（并聯電容器中串入的電感與電容的比值）控制諧振頻率，使其盡量避開所要補償的諧波電流頻率。但在實際電網中，由于電力諧波不穩定，諧波大小和頻次會隨著負荷變化而改變，使得電抗率的選擇很復雜，不匹配的電抗率反而會損壞并聯電容器[9]。同時，這種方法只是改變了諧振系統的諧振點，實際電網系統比較復雜且時刻變化，當負載諧波源或電網阻抗以及并入電網的電容器發生變化時，仍然可能發生諧振。

2.2 補償電流指令調節

根據APF的指定次補償電流頻率f與諧振頻率fR的大小關系，設置補償電流指令[7]。當f＜fR時，檢測后的補償電流指令kd不變；當f＞fR時，令補償電流指令kd取反。這樣可有效地抑制因諧振偏移帶來的諧波放大問題。對于f在fR附近的情況，其檢測電流存在諧振峰，并且相位處于突變狀態，可以令補償電流指令kd=0，雖然這樣可以避免系統失穩，但該頻率的諧波無法得到補償，影響補償精度。在諧振頻率附近的諧波可以在不改變補償指令的情況下通過諧振阻尼方法來進行濾除。